CN101895252B - 电机伺服驱动器控制器参数自动调整装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机伺服驱动器控制器参数自动调整装置及其方法，该装置包括惯量识别器，参数初步调整器，参数检验器，参数优化器，参数保存和显示器，速度控制器，位置控制器，转矩控制器，PWM生成器，码盘。本发明可以使交流永磁电机伺服驱动器根据机械负载的转动惯量的不同，自动配置位置控制器和速度控制器的参数，再通过参数检验器和参数优化器对自动配置的参数进行检验和进一步的优化，使伺服驱动器的位置响应和速度响应达到相对最佳。本发明使交流永磁同步电机伺服驱动器自动的根据工作场合的状况来调整控制参数，并达到理想的控制效果，整个过程无需人的参与，完全由交流永磁同步电机伺服驱动器完成。

Description

电机伺服驱动器控制器参数自动调整装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种电机伺服驱动器控制器参数自动调整装置及其方法，特别是应用于同步电机伺服驱动器中，尤其是针对交流永磁同步电机伺服系统设计和实现的。

背景技术

随着交流永磁同步电机伺服驱动器应用的具体场合的不同，其负载转动惯量的大小也随之变化，于是为了满足对伺服驱动器控制效果的快速性和准确性要求，需要用户或者现场工作人员调整控制参数，这个参数调整过程繁琐耗时、需要调整人员具有相应的专业知识和经验，而且难以达到理想的控制效果。

现有技术中的一篇对比文献是日本安川电机公司的发明名称为《控制常数调整装置》的专利，专利的国家是中国，专利号是ZL 02828582.4，公开号是CN 1307782C。这个专利的装置包括：速度控制部、推断部、辨识部、调整部。这个专利实现控制常数调整的方法是：辨识部只在速度控制部内的电动机速度Vfb与推断部内的模型速度Vfb’的值不为零且一致的情况下，对利用将速度控制部的转矩指令Tref通过规定的高通滤波器所得的值Ftr的绝对值|Ftr|在规定的区间[a，b]内进行时间积分所得的值|SFtr|，和将推断部的模型转矩指令Tref’通过规定的高通滤波器所得的值Ftr’的绝对值|Ftr’|在相同的区间内进行时间积分所得的值|SFtr’|的比所求得的惯量J进行辨识。

专利《控制常数调整装置》所提出的控制参数自动调整方法存在四点不足：

(1)上述专利中是利用预先设计好的电机模型辅助推断的，而由于实际系统不可避免存在非线性、扰动和噪声等因素，存在的电流采样误差、转矩脉动和系统摩擦阻力等，理论设计的电机模型不能完全的与实际相符，甚至在某些特殊条件下模型与实际相背离，于是直接使用模型推断出的控制常数很可能无法获得最佳的控制性能；

(2)上述专利缺乏一个检验调整参数合理性和优越性的有效方法，并且缺乏一个对参数进行检验和优化的过程，也就无法保证调整后的参数就是控制效果最佳的参数。

(3)上述专利只是针对速度控制器的控制常数进行调整，但是实际中伺服驱动器一般都包括位置控制器，其参数的合适与否对伺服系统的位置控制响应的影响非常明显，如果不设计出位置控制器参数自动调整的方法，会减弱应用场合广泛性和应用的有效性。

(4)实际应用中，不同应用场合下用户期望获得的速度控制响应的偏重点是不同的，例如有些场合需要速度响应时间最短相应的超调大一些是可以接受的，但另一些定位专用场合对超调的抑制的要求是比较高的，而对响应时间的要求相对就不高。上述专利并没有设计出针对不同的用户需求的侧重来改变控制器参数调整策略的功能，无法做到恰当的满足用户需要。

发明内容

本发明要解决的首要技术问题是为了克服现有技术直接使用模型推断出的控制常数很可能无法获得最佳的控制性能的缺陷，提供一种电机伺服驱动器控制器参数自动调整装置及其方法。

本发明要解决的另一技术问题是现有技术无法保证调整后的参数就是控制效果最佳的参数，又一技术问题是现有技术只是针对速度控制器的控制常数进行调整，再一技术问题是现有技术并没有设计出针对不同的用户需求的侧重来改变控制器参数调整策略的功能，无法做到恰当的满足用户需要。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

一种电机伺服驱动器控制器参数自动调整装置，其包括惯量识别器、位置控制器和速度控制器，其特点在于，其中，

惯量识别器，用于对电机转子和负载的总转动惯量J进行测量；

参数初步调整器，在已经测量出的电机转子和负载的总转动惯量J值的基础上，根据式1和式2计算出位置控制器和速度控制器的初步参数，并将参数传送到位置控制器和速度控制器，式1：

式2：

其中，K_I是速度控制器的积分系数，K_P是速度PI控制器的比例系数，T_cur是电流控制器的惯性时间常数，K_torque是电流转矩系数，J是电机转子和负载的总转动惯量，h为自定义的常数；

参数检验器，用于每当位置控制器和速度控制器的参数发生更新时，参数检验器就使用用户所选择的评价公式计算出E值，即得到对当前更新后的参数的控制效果的量化评价，进而确定是否需要进一步的参数优化；

参数优化器，用于首先发出特定的位置三角波指令到位置控制器和特定的速度三角波指令到速度控制器，使电机按照位置和速度指令进行旋转；其次在上一次的速度控制器和位置控制器的参数和E值的基础上，通过式(3)、式4和式5计算出优化后速度控制器和位置控制器的参数，并将参数传送到速度控制器和位置控制器中并加以更新，

式3： $G\left(s\right)=\frac{(h+1)}{{2h}^2{T_{\mathrm{cur}}}^2}\frac{({\mathrm{hT}}_{\mathrm{cur}}s+1)}{s^2}\frac{1}{T_{\mathrm{cur}}s+1},$

式4： $H\left(s\right)=\frac{G\left(s\right)}{1+G\left(s\right)}=\frac{(h+1)(h{T}_{\mathrm{cur}}s+1)}{{2h}^2{T_{\mathrm{cur}}}^2{s}^2(T_{\mathrm{cur}}s+1)+(h+1)({\mathrm{hT}}_{\mathrm{cur}}s+1)},$

式5： $G_p\left(s\right)=\frac{K_{\mathrm{pp}}(h+1)({\mathrm{hT}}_{\mathrm{cur}}s+1)}{[2h^2{T_{\mathrm{cur}}}^2{s}^2(T_{\mathrm{cur}}s+1)+(h+1)({\mathrm{hT}}_{\mathrm{cur}}s+1)]}\frac{1}{s},$

其中，K_pp是位置控制器的比例增益。

较佳地，参数检验器发送给速度控制器的位置和速度指令是正反方向交替、上下对称、左右对称的三角波指令。

较佳地，所述速度控制器采用比例积分(PI)控制器结构，使整个伺服系统实现速度闭环，使电机的实际转速跟随转速指令，也就是说使电机实际转速与转速指令是一致的。

较佳地，所述位置控制器采用比例(P)和前馈相结合的控制器结构，使整个伺服系统实现位置闭环，使电机的实际转过的位置跟随位置指令，也就是说使电机实际位置与位置指令是一致的。

较佳地，该自动调整装置还包括一参数保存和显示器，用于将优化后的控制参数保存在存储器中，并在显示器中显示出转动惯量值和各个控制参数。

较佳地，所述的评价公式为

或

其中，E代表评价公式的计算结果，t代表时间，即进行时域上的积分计算；当评价公式用在速度控制器的PI参数优化时，e是速度控制器指令值和实际速度反馈值之间的差值，当评价公式用在位置控制器的比例增益参数和前馈系数优化时，e是位置控制器指令值和实际位置反馈值之间的差值。

本发明的另一技术方案为：一种所述的装置的参数自动调整方法，其特点在于，其包括以下步骤：

S₁、电机伺服驱动器使能，使能速度控制器参数自动调整功能，此时伺服系统处在速度控制模式下；

S₂、参数检验器根据用户所选的参数优化策略来确定对应的评价公式；

S₃、惯量辨识器测量出电机转子和负载的总转动惯量J；

S₄、参数初步调整器根据式1和式2，通过步骤S₂测量出的总转动惯量J值计算出速度控制器参数的初步设定值，并传输到速度控制器；

S₅、参数优化器向速度控制器发出一个周期的三角波速度指令使电机按照指令运行；

S₆、参数检验器在电机按照三角波指令进行转动的过程中，实时采集电机的速度反馈值，并通过评价公式计算出E值；

S₇、参数优化器接受参数检验器传送来的E值，按式6、式7和式8计算出优化后的速度控制器参数值，并将参数值传送到速度控制器替换掉原来的参数值，

式6：

R(t)为速度或位置的指令值，F(t)为速度或位置的反馈值，t为时间值；式7和式8如下：

其中，E_s代表用户选定的评价公式对速度曲线的计算结果，E_BS代表用户选定的评价公式对速度曲线的计算结果的标准值，该E_BS值为经验值，K_p ⁿ、K_p ⁿ⁺¹代表第n和n+1次优化后的速度控制器的比例系数K_p，K_I ⁿ、K_I ⁿ⁺¹代表第n和n+1次优化后的速度控制器的积分时间系数K_I，D_BS代表预设的速度D分界值，该D_BS值为经验值；

S₈、循环步骤S₅、S₆和S₇，直至评价公式计算出的E值小于预先设计好的额定值E_N时结束循环，记录下当时的速度控制器参数作为优化后的参数；如果循环的次数超过预先设计好的最大次数N_max，此时也结束循环，记录下E值最小的那组速度控制器参数作为优化后的参数；

S₉、当速度控制器的参数优化成功完成后，禁止速度控制器参数自动调整功能，此时速度控制器装载的参数就是优化后的参数。

较佳地，步骤S₅中的三角波速度指令为使电机以恒定加速度a由静止正向加速到正向速度峰值ω_max，再以恒定加速度a由速度峰值ω_max减速到电机停止，然后以恒定加速度a由静止反向加速到反向速度峰值-ω_max，最后以恒定加速度a由反向速度峰值-ω_max减速到电机停止，至此一个三角波速度指令周期结束，其中恒定加速度a和速度峰值ω_max的大小根据应用中的实际情况进行设定。

较佳地，步骤S₉之后还包括如下步骤：

S₁₀、使能位置控制器的参数自动调整，此时伺服系统处在位置控制模式下，参数初步调整器将K_pp作为位置控制器比例增益参数的初步设定值，将K_f作为位置控制器前馈系数的初步设定值，并将K_pp和K_f传输到位置控制器；

S₁₁、参数优化器首先向位置控制器发出一个周期的三角波位置指令使电机按照指令运行；

S₁₂、参数检验器在电机按照三角波指令进行转动的过程中，实时采集电机的位置反馈值，并通过评价公式计算出E值；

S₁₃、参数优化器接受参数检验器传送来的E值加以记录，再按式7和式8计算出优化后的位置控制器的K_pp和K_f参数值，并传送到位置控制器替换掉上一次的参数值，式7和式8如下：

其中，E_p为用户选定的评价公式对位置曲线的计算结果，E_BP为用户选定的评价公式对位置曲线的计算结果的标准值，E_BP值为经验值，D_BP代表预设的位置D分界值，D_BP值为经验值，K_pp ⁿ、K_pp ⁿ⁺¹代表第n和n+1次优化后的位置控制器的比例系数K_pp，K_f ⁿ、K_f ⁿ⁺¹代表第n和n+1次优化后的位置控制器的前馈系数K_f；

S₁₄、循环步骤S₁₁、S₁₂和S₁₃，直至评价公式计算出的E值小于预先设计好的额定值E_N时结束循环，记录下当时的位置控制器参数作为优化后的参数；如果循环的次数超过预先设计好的最大次数N_max，此时也结束循环，记录下E值最小的那组位置控制器参数作为优化后的参数；

S₁₅、控制器参数的自动调整完成。

较佳地，步骤S₁₅之后还包括步骤S₁₆：参数保存和显示器将优化后的位置控制和速度控制器参数显示出来。

较佳地，步骤S₁₁中所述的三角波位置指令为使电机以恒定速度v由位置零点正向转到正向位置峰值p_max，再以恒定速度v由位置峰值p_max反向转回到位置零点，然后以恒定速度v由位置零点反向转到反向位置峰值-p_max，最后以恒定速度由反向位置峰值-p_max正向旋转到电机位置零点，至此一个三角波位置指令周期结束，其中恒定速度v和位置峰值p_max的大小根据应用中的实际情况进行设定。

本发明的积极进步效果在于：本发明可以使交流永磁电机伺服驱动器根据机械负载的转动惯量的不同，自动配置位置控制器和速度控制器的参数，再通过参数检验器和参数优化器对自动配置的参数进行检验和进一步的优化，使伺服驱动器的位置响应和速度响应达到相对最佳。本发明使交流永磁同步电机伺服驱动器自动的根据工作场合的状况来调整控制参数，并达到理想的控制效果，整个过程无需人的参与，完全由交流永磁同步电机伺服驱动器完成。

针对专利《控制常数调整装置》的四点不足，本发明的进一步有益效果分别为：

(1)针对第一点不足，本发明的最终控制器参数整定结果不是单纯的使用数学模型运算出来的，这样就避免了电机模型与实际不符所造成的控制参数调整失准。

(2)针对第二点不足，本发明使用已公布专利《交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识方法》，公布号CN101699763A中所述的方法进行转动惯量辨识，然后按照预先设计的控制参数与转动惯量值的关系表进行控制器参数值的设置，然后通过参数检验器对设置好的参数进行检验，检测控制器参数是否最优，如果不是最优，再通过参数优化器对参数做进一步的优化调整，这样就可以确保调整后的控制器参数使系统具有更加优越的稳态和动态响应特性。

(3)针对第三点不足，本发明不仅仅可以对电机伺服驱动器的速度控制器进行自动的参数调整，还会进一步对位置控制器进行自动的参数调整。

(4)针对第三点不足，本发明不仅仅可以对位置控制器的比例增益参数进行自动调整，还可以对位置控制器的前馈系数进行自动调整，这样可以减少位置控制的超调，相比于单纯一个位置比例增益参数调节可以较大的提升系统性能。

(5)针对第四点不足，本发明设计了三种侧重不同的参数调整和优化策略，更加具有针对性的满足用户三类不同应用对位置和速度控制响应的要求，使本发明可以应用在更多的场合，获得更好的控制效果。比如，在某些具体应用场合中，用户对于伺服系统的位置运动响应的快速性要求很高，但对于位置运动的超调要求并不高；而在另外应用一些场合中，用户需要位置运动的超调必须得到充分的抑制，对于位置运动响应的快速性却不高。于是，前一类用户就可以选择本发明提供的优化策略二，后一类用户选择本发明提供的优化策略三，这样两类用户就可以获得两类不同的控制器参数，从而分别满足两类用户的需求。

附图说明

图1为本发明的电机伺服驱动器控制器参数自动调整装置的结构图。

图2为本发明的三角波速度指令波形图。

图3为本发明的位置控制器的根轨迹图。

图4为本发明的三角波位置指令波形图。

图5为本发明的控制器参数自动调整方法的工作过程图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

一、本发明的参数自动调整装置的各组成部件及功能

本发明提供了一种电机伺服驱动器控制器参数自动调整装置及其方法，首先对该参数自动调整装置进行描述，然后基于该装置再对参数自动调整方法进行阐述。本装置包括：

(1)惯量识别器1，其按照已公布专利《交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识方法》中所述的方法对电机转子和负载的总转动惯量J进行测量，给位置控制器6和速度控制器7的参数的初步调整提供数据基础。

(2)参数初步调整器2，在已经测量出的电机转子和负载的总转动惯量J值的基础上，根据下述的式(6)和式(7)计算出位置控制器6和速度控制器7的初步参数，并将参数传送到位置控制器6和速度控制器7。

(3)参数检验器3，在控制器参数自动调整过程中，每当位置控制器6和速度控制器7的参数发生更新时，参数检验器3就使用用户所选择的评价公式(如表1所示)计算出E值，即得到对当前更新后的参数的控制效果的量化评价，进而确定是否需要进一步的参数优化。

(4)参数优化器4，首先发出特定的位置三角波指令到位置控制器6和特定的速度三角波指令到速度控制器7，使电机按照位置和速度指令进行旋转；其次在上一次的速度控制器7和位置控制器6的参数和E值的基础上，通过式(8)、式(9)和式(10)计算出优化后速度控制器7和位置控制器6的参数，并将参数传送到速度控制器7和位置控制器6中并加以更新，由于对速度控制器7和位置控制器6的参数分别进行优化调整，所以改善系统的位置和速度控制效果，使系统具有更优的稳态和动态性能。

(5)参数保存和显示器5，将优化后的控制参数保存在存储器中，并在显示器中显示出转动惯量值和各个控制参数。

(6)速度控制器7，采用比例积分(PI)控制器结构，使整个伺服系统可以实现速度闭环，使电机的实际转速可以很好的跟随转速指令，也就是说使电机实际转速与转速指令是一致的。

(7)位置控制器6，采用比例(P)和前馈相结合的控制器结构，使整个伺服系统可以实现位置闭环，使电机的实际转过的位置可以很好的跟随位置指令，也就是说使电机实际位置与位置指令是一致的。

(8)转矩控制器8，采用比例积分(PI)控制器结构，使整个伺服系统可以实现转矩闭环，使电机的实际转矩可以很好的跟随转矩指令，也就是说使电机实际转矩与转矩指令是一致的。

(9)PWM生成器9，按照空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法生成3路PWM脉冲。

(10)码盘10，用来实时检测电机轴的角位置，为电流的解耦提供电角度值，微分后还可以得到电机的转速，实际使用中码盘可以是光电编码器、正余弦编码、旋转变压器等。

上面的速度控制器7、位置控制器6、转矩控制器8、PWM生成器9、码盘10为市面上的交流永磁电机伺服驱动器所普遍具备的产品，其具体组成在此不作赘述。

下面介绍上述各组成部件间输入输出关系。

首先，电机的电流反馈和电机速度反馈作为惯量辨识器1的输入，惯量辨识器1的一路输出预先设计好的的速度指令到速度控制器7，另外一路将转动惯量辨识的结果输出到参数初步调整器2；参数初步调整器2的一路将速度控制器7的初步参数输出到速度控制器7，另一路将位置控制器6的初步参数输出到位置控制器6；电机的位置反馈和速度反馈作为参数检验器3的输入，参数检验器3的一路输出评价公式的计算结果E值到参数优化器4；参数优化器4一路输出特定的速度指令(速度指令的波形如附图2所示)和优化后的速度控制参数到速度控制器7，另一路输出特定的位置指令(位置指令波形如附图4所示)和优化后的位置控制参数到位置控制器6，还有一路将优化后的位置控制器6和速度控制器7参数输出到参数保存和显示控制器5。位置控制器6的一路输出作为速度控制器7的指令，速度控制器7的一路输出作为转矩控制器8的指令，转矩控制器8的一路输出作为PWM生成器9的输入。

二、速度控制器参数的理论计算

一般同步电机的伺服驱动系统采用由外向内分别是位置环、速度环和电流环的三闭环控制结构，主要由位置控制器、速度控制器和电流控制器三部分组成。电机转子位置实际值与指令值的差值作为位置控制器的输入，其输出信号作为速度的指令值，并与实际速度比较后，作为速度控制器的输入。速度控制器的输出即为转矩的指令值。

为了简化速度控制器的设计，在不影响控制效果的前提下，合理的将电流环近似为一个惯性环节，同时忽略负载扰动，本系统中简化为惯性环节的电流控制器的闭环传递函数如式(1)

$W_{\mathrm{cli}}\left(s\right)=\frac{1}{T_{\mathrm{cur}}s+1}---\left(1\right)$

其中T_cur是电流控制器的惯性时间常数，不同的同步电机伺服驱动器设计的这个常数一般是不同的。

速度PI控制器的传递函数如式(2)

$W_{\mathrm{ASR}}\left(s\right)=K_P+\frac{K_I}{s}---\left(2\right)$

其中K_P是速度PI控制器的比例系数；

K_I是速度控制器的积分系数。

速度控制环的开环传递函数如式(3)

$G\left(s\right)=\frac{K_I{K}_{\mathrm{torque}}}{J}\frac{1+\frac{K_P}{K_I}s}{s^2}\frac{1}{T_{\mathrm{cur}}s+1}---\left(3\right)$

其中K_torque是电流转矩系数；

J是电机转子和负载的总转动惯量。

根据自动控制理论中的典型II型系统的理论，并采用闭环幅频特性峰值M_r最小准则，同时选择适中的参数h＝5，则得到式(4)和式(5)

$\left(\frac{K_P}{K_I}\right)/T_{\mathrm{cur}}=h---\left(4\right)$

$\frac{K_I{K}_{\mathrm{torque}}}{J}=\frac{h+1}{2h^2{T_{\mathrm{cur}}}^2}---\left(5\right)$

由式(4)和式(5)进一步推导，得到式(6)和式(7)

$K_I=\frac{(h+1)J}{{2h}^2{T_{\mathrm{cur}}}^2{K}_{\mathrm{torque}}}---\left(6\right)$

$K_p=\frac{(h+1)J}{2{\mathrm{hT}}_{\mathrm{cur}}{K}_{\mathrm{torque}}}---\left(7\right)$

对于一个确定的同步电机和伺服驱动器系统，式(6)和式(7)中的h、T_cur和K_torque都是已知和固定不变的，而只有J是随着伺服驱动器系统所应用的场合的机械结构的不同而不同的。于是，只要通过专利《交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识方法》中所述的方法测量出电机转子和负载的总转动惯量J，那么就可以通过式(6)和式(7)计算得到速度PI控制器的PI参数值，这就实现了速度控制器参数的初步自动设置。现有的很多控制器参数自动调整方法都是基于电机转子和负载的总转动惯量J的值来设置速度控制器的PI参数值，只不过不同的方法采用的PI参数计算公式是不同的。但是，由于系统不可避免存在非线性、扰动和噪声等因素，而且实际系统中存在电流采样误差、转矩脉动和系统摩擦阻力等，使用式(6)和式(7)进行理论的计算与实际并不能保证绝对的相吻合，所以需要对初步自动设置的速度控制器PI参数值做进一步的优化。

三、位置控制器参数的理论计算

由式(3)、式(6)和式(7)可得到速度控制环的开环传递函数如式(8)

$G\left(s\right)=\frac{(h+1)}{2h^2{T_{\mathrm{cur}}}^2}\frac{({\mathrm{hT}}_{\mathrm{cur}}s+1)}{s^2}\frac{1}{T_{\mathrm{cur}}s+1}---\left(8\right)$

进一步得到速度控制环的闭环传递函数如式(9)

$H\left(s\right)=\frac{G\left(s\right)}{1+G\left(s\right)}=\frac{(h+1)(h{T}_{\mathrm{cur}}s+1)}{{2h}^2{T_{\mathrm{cur}}}^2{s}^2(T_{\mathrm{cur}}s+1)+(h+1)({\mathrm{hT}}_{\mathrm{cur}}s+1)}---\left(9\right)$

于是，在不考虑位置前馈系数的影响得到位置控制环的开环传递函数

$G_p\left(s\right)=\frac{K_{\mathrm{pp}}(h+1)({\mathrm{hT}}_{\mathrm{cur}}s+1)}{[{2h}^2{T_{\mathrm{cur}}}^2{s}^2(T_{\mathrm{cur}}s+1)+(h+1)({\mathrm{hT}}_{\mathrm{cur}}s+1)]}\frac{1}{s}---\left(10\right)$

其中，K_pp是位置控制器的比例增益。

需要强调的一点是，式(10)中含有一个

积分环节，这个并不是位置控制器引入的积分环节，而是执行机构引入的，这是因为“速度的积分得到位置”的原理，所以位置控制器本身可以在不含有积分环节的情况下即可保证位置的无静差。

以本系统为例，式(10)中的常数h等于5，T_cur等于3×10^-4，K_pp就是位置控制器需要自动调整的参数，将h和T_cur的值代入到式(10)中，得到式11

$G_p\left(s\right)=\frac{K_{\mathrm{pp}}(1.5\×{10}^{-3}s+1)}{2.25\×{10}^{-10}{s}^4+7.5\×{10}^{-7}{s}^3+2\×{10}^{-3}{s}^2+s}---\left(11\right)$

在本发明中采用根轨迹辅助分析的方法来设计位置控制器的比例增益K_pp的计算公式，绘制位置控制环的根轨迹如附图3所示。

根据根轨迹分析理论，在保证系统的稳定的前提下，也就是说在极点在虚轴的左半平面上，兼顾超调和阻尼比，可以选择位置控制器的比例增益K_pp为2.93×10²，此时的超调是18.3％，阻尼比是0.475。需要强调的是前面理论计算出的位置控制器参数K_pp为2.93×10²也是不能保证系统的位置控制环具有最佳的控制特性，这个参数只是一个初步的位置控制器参数，需要进一步的参数检验和优化才能获得最佳的参数。

一般伺服驱动器内的位置控制器都带有前馈系数，引入前馈控制的最主要的好处就是可以减少位置控制的超调，但是这个前馈系数从理论上是难以确定的，于是在本发明中采用逐步逼近的方法来求得最佳的位置前馈系数，逐步逼近的原则就是在理论计算出的初步位置控制器参数基础上，先逐步减小位置比例增益参数同时增大位置前馈系数，再逐步增大位置比例增益参数同时减小位置前馈系数，在上述过程中找到评价公式计算结果最小的那组位置比例增益参数和位置前馈系数作为最佳的位置控制器参数。具体过程在下文中有详细描述。位置控制器的参数检验和优化与速度控制器参数检验和优化的原理是完全相同的，过程也是非常类似的，后面有详细的介绍。

四、速度和位置控制器参数检验和优化的原理

本发明提出一种新的参数优化方法，首先要根据电机伺服系统应用场合的特点和用户需求的侧重来选择目标响应波形，不同的目标响应波形需要不同的评价公式来量化整定效果的优劣，进一步采用侧重点不同的参数优化策略。一般来说，可以分为一般通用场合、定位专用场合、在定位专用调整基础上需要抑制超调的场合这三类场合，策略序号、应用场合、目标响应波形和评价公式三者的对应关系如表1，本发明提供出这三个评价公式，可以在本发明产品化后给用户更多选择的余地，以适应不同的工业应用场合，满足不同用户对控制效果的个性化要求，使本发明可以应用在更多的场合，获得更好的控制效果。但是需要注意的是，这三个评价公式之间是并行的关系，用户只能选择其中的一个，而不能同时选择多个评价公式来使用。而且，表1中的评价公式不仅用来对速度控制器的PI参数初步设置值进行优化，还用来对位置控制器的P参数初步设置值进行优化。

表1评价公式表

表1中E代表评价公式的计算结果；

t代表时间，也就是说进行时域上的积分计算；

上面的表格的核心思想如下：本发明提出一种新的参数优化方法，首先要根据电机伺服系统应用场合的特点和用户需求的侧重来选择目标响应波形，不同的目标响应波形需要不同的评价公式来量化整定效果的优劣，进一步采用侧重点不同的参数优化策略。一般来说，可以分为一般通用场合、定位专用场合、在定位专用调整基础上需要抑制超调的场合这三类场合。一般通用场合的特点是超调量稍大，响应速度快，上升时间短，等价于用户希望获得的目标响应波形的平方控制面积尽可能小。

也就是说，使用公式

计算出的E值越小就越能满足用户的对于超调量稍大和响应速度快的需求。定位专用场合的特点是超调量中等，响应速度中等，上升时间中等，等价于用户希望获得的目标响应波形控制面积最小，也就是说，使用公式

计算出的E值越小就越能满足用户的对于超调量中等和响应速度中等的需求。在定位专用基础上需要抑制超调的场合的特点是超调量小，响应速度稍慢，上升时间略长，等价于等价于用户希望获得的目标响应波形积累控制面积最小，也就是说，使用公式

计算出的E值越小就越能满足用户的对于超调量小和响应速度稍慢的需求。

上面三个公式中的：E代表评价公式的计算结果；t代表时间，也就是说进行时域上的积分计算。

当评价公式用在速度控制器的PI参数优化时，e是速度控制器指令值和实际速度反馈值之间的差值，当评价公式用在位置控制器的比例增益参数和前馈系数优化时，e是位置控制器指令值和实际位置反馈值之间的差值。

仅仅使用评价公式的E值是无法确定控制器参数的调整方向的，还需要根据位置或者速度的指令曲线与反馈曲线的形状来确定相应控制器参数的调整方向，于是本发明中将曲线形状所包含的信息抽象成在一个周期内的速度或位置指令积分值与速度或位置反馈积分值的差值D，根据这个D值的正负和D的绝对值大小来决定控制器参数的调整方向。D的计算公式如式(12)

$D={\∫}_{\mathrm{nT}}^{(n+1)T}R\left(t\right)\mathrm{dt}-{\∫}_{\mathrm{nT}}^{(n+1)T}F\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(12\right)$

其中R(t)为速度或位置的指令值，F(t)为速度或位置的反馈值，t为时间值。

表2控制器参数调整的变化方向

上表中，实线是速度或位置指令，虚线是速度或位置反馈。

关于表2，以往的专利都没有涉及到对于控制器参数的进一步优化调整，所以也就不会涉及控制器参数调整的变化方向问题，本发明中根据式12计算出的D值的正负和大小，就可以确定速度控制器的K_p、K_i和位置控制器的K_pp、K_f参数是应该增大还是缩小。例如，当D始终为正，并且D的绝对值较大时，就对应增大速度控制器K_pK_I和位置控制器的K_pp、K_f参数；当D值一部分时间正，另一部分时间D值为负，就对应增大速度控制器的K_I和位置控制器的K_f，缩小速度控制器的K_p和位置控制器的K_pp；当D值始终为负，但D的绝对值较小时，就对应增大速度控制器的K_p和位置控制器的K_pp，缩小速度控制器的K_I和位置控制器的K_f；当D值始终为负，但D的绝对值较大时，就对应缩小速度控制器K_pK_I和位置控制器的K_pp、K_f参数。有关于D的定义在上文中有阐述。

当用户确定使用一个评价公式后，伺服驱动器的参数检验器发出速度和位置指令使电机按照预先设计好的三角波速度曲线和三角波位置曲线进行运转，并使用评价公式进行计算，并将计算出的结果E值传输到参数优化器，参数检验器还根据电机速度和位置反馈的三角波的特点来设定控制器参数微调的变化方向，如表2，并将控制器参数微调的变化方向传送到参数优化器中；参数优化器再根据评价公式的计算结果E和控制器参数微调变化方向来相应的改变控制器控制器参数值，速度控制器参数的具体优化值由下列式(13)、(14)来计算和更新，位置控制器参数的具体优化值由下列式(15)和式(16)来计算和更新。多次重复先检验再优化的过程，直到参数检验器使用评价公式计算出的E值小于预先设定好的标准值E_N，控制器参数优化微调过程结束。

其中，E_s代表用户选定的评价公式对速度曲线的计算结果；

E_p代表用户选定的评价公式对位置曲线的计算结果；

E_BS代表用户选定的评价公式对速度曲线的计算结果的标准值，这个E_BS值是通过反复试验获取的一个经验值；

E_BP代表用户选定的评价公式对位置曲线的计算结果的标准值，这个E_BP值是通过反复试验获取的一个经验值；

D_BP代表预设的位置D分界值，这个D_BP值是通过反复试验获取的一个经验值；

D_BS代表预设的速度D分界值，这个D_BS值是通过反复试验获取的一个经验值；

K_p ⁿ⁺¹代表第n+1次优化后的速度控制器的比例系数K_p；

K_p ⁿ代表第n次优化后的速度控制器的比例系数K_p，当n＝0时就是初步设置(未优化)的K_p；

K_I ⁿ⁺¹代表第n+1次优化后的速度控制器的积分时间系数K_I；

K_I ⁿ代表第n次优化后的速度控制器的积分时间系数K_I，当n＝0时就是初步设置(未优化)的K_I；

K_pp ⁿ⁺¹代表第n+1次优化后的位置控制器的比例系数K_pp；

K_pp ⁿ代表第n次优化后的位置控制器的比例系数K_pp，当n＝0时就是初步设置(未优化)的K_pp；

K_f ⁿ⁺¹代表第n次优化后的位置控制器的前馈系数K_f；

K_f ⁿ代表第n次优化后的位置控制器的前馈系数K_f，当n＝0时就是初步设置(未优化)的K_f；

本发明是在电机按三角波速度和位置曲线运转过程中使用评价公式进行计算，与电机在速度和位置阶跃响应过程中使用评价公式进行计算的方法相比，本发明主要具有如下三个优点：

(1)不同的速度控制器PI参数在速度阶跃响应过程中使用评价公式计算出的E值变化率不大，而在速度三角波运动过程中算出的E值变化率较大，而且实际速度控制的响应效果越差，E值就越大。不同的位置控制器P参数在位置阶跃响应过程中使用评价公式计算出的E值变化率不大，而在位置三角波运动过程中算出的E值变化率较大，而且实际位置控制的响应效果越差，E值就越大。而在控制器参数优化过程中，不同控制器参数下E值的变化率越大，对于控制器参数的优化调整就越有利；

(2)在相同的控制效果条件下，随着转动惯量的增加，在速度和位置阶跃响应过程中算出的E值增大而变化率却在减小，因为E值的大小不仅跟控制器参数的控制效果有关，还跟转动惯量的大小相关，这样E值就不能用来作为衡量控制器参数控制效果好坏的标准；在速度和位置三角波运动过程中算出的E值基本保持不变，E值大小只与控制器参数的适合程度近似成反比例，这样E值就可以作为衡量控制器参数控制效果好坏的标准；

(3)速度和位置做阶跃响应运动更容易产生振荡等不良现象，可能会产生危险和损坏设备，而速度和位置做三角波运动比做阶跃运动更加可靠，安全性更高。

五、本发明所述的参数自动调整方法，即工作过程，如图5。

1、交流同步电机伺服驱动器使能，使能速度控制器参数自动调整功能，此时伺服系统处在速度控制模式下。

2、用户根据系统的应用场合和控制需要的偏重，在三种参数优化策略下选择一种，参数检验器根据用户所选的参数优化策略序号来确定对应的评价公式(对应规则如表1)。

3、交流同步电机伺服驱动器中的惯量辨识器按照专利《交流永磁同步电机伺服系统的转动惯量辨识方法》中所述的方法测量出电机转子和负载的总转动惯量J。

4、参数初步调整器根据式(6)和式(7)，通过步骤2测量出的总转动惯量J值计算出速度控制器参数的初步设定值，并传输到速度控制器。

5、参数优化器向速度控制器发出一个周期的特定的三角波速度指令使电机按照指令运行。所谓的特定三角波速度指令就是使电机以恒定加速度a由静止正向加速到正向速度峰值ω_max，再以恒定加速度a由速度峰值ω_max减速到电机停止，然后以恒定加速度a由静止反向加速到反向速度峰值-ω_max，最后以恒定加速度a由反向速度峰值-ω_max减速到电机停止，至此一个三角波速度指令周期结束，指令的波形如附图2中实线所示，其中恒定加速度a和速度峰值ω_max的大小根据应用中的实际情况进行设定。

6、参数检验器在电机按照特定的三角波指令进行转动的过程中，实时采集电机的速度反馈值，并通过评价公式计算出E值。

7、参数优化器接受参数检验器传送来的E值，按式(12)和式(13)计算出优化后的速度控制器参数值，并将参数值传送到速度控制器替换掉原来的参数值。

8、循环步骤5、步骤6和步骤7，直至评价公式计算出的E值小于预先设计好的额定值E_N时结束循环，参数记录和显示器会记录下当时的速度控制器参数作为优化后的参数；如果循环的次数超过预先设计好的最大次数N_max(比如N_max＝25)，此时也要结束循环，参数记录和显示器会记录下E值最小的那组速度控制器参数作为优化后的参数。

9、当速度控制器的参数优化成功完成后，禁止速度控制器参数自动调整功能，此时速度控制器装载的参数就是优化后的参数，使能位置控制器的参数自动调整，此时伺服系统处在位置控制模式下。

10、参数初步调整器将K_pp为2.93×10²作为位置控制器比例增益参数的初步设定值，将K_f等于K_f1作为位置控制器前馈系数的初步设定值，例如K_f1等于0.5，并将K_pp和K_f传输到位置控制器。

11、参数优化器首先向位置控制器发出一个周期的三角波位置指令使电机按照指令运行。所谓的特定的三角波位置指令就是使电机以恒定速度v由位置零点正向转到正向位置峰值p_max，再以恒定速度v由位置峰值p_max反向转回到位置零点，然后以恒定速度v由位置零点反向转到反向位置峰值-p_max，最后以恒定速度由反向位置峰值-p_max正向旋转到电机位置零点，至此一个三角波位置指令周期结束，指令的波形如附图4中实线所示，其中恒定速度v和位置峰值p_max的大小根据应用中的实际情况进行设定。

12、参数检验器在电机按照特定的三角波指令进行转动的过程中，实时采集电机的位置反馈值，并通过评价公式计算出E值。

13、参数优化器接受参数检验器传送来的E值加以记录，再按式(14)和式(15)计算出优化后的位置控制器的K_pp和K_f参数值，并传送到位置控制器替换掉上一次的参数值。

14、循环步骤11、步骤12和步骤13，直至评价公式计算出的E值小于预先设计好的额定值E_N时结束循环，参数记录和显示器会记录下当时的位置控制器参数作为优化后的参数；如果循环的次数超过预先设计好的最大次数N_max(比如N_max＝25)，此时也要结束循环，参数记录和显示器会记录下E值最小的那组位置控制器参数作为优化后的参数。

13、至此控制器参数的自动调整完成，参数记录和显示器将优化后的位置控制和速度控制器参数显示出来。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种电机伺服驱动器控制器参数自动调整装置，其包括惯量识别器、位置控制器和速度控制器，其特征在于，其中，

惯量识别器，用于对电机转子和负载的总转动惯量J进行测量；

参数初步调整器，在已经测量出的电机转子和负载的总转动惯量J值的基础上，根据式1和式2计算出位置控制器和速度控制器的初步参数，并将参数传送到位置控制器和速度控制器，式1：

式2：

其中，K_I是速度控制器的积分系数，K_P是速度PI控制器的比例系数，T_cur是电流控制器的惯性时间常数，K_torque是电流转矩系数，J是电机转子和负载的总转动惯量，h为自定义的常数；

参数检验器，用于每当位置控制器和速度控制器的参数发生更新时，参数检验器就使用用户所选择的评价公式计算出E值，即得到对当前更新后的参数的控制效果的量化评价，进而确定是否需要进一步的参数优化，所述的评价公式为

或

其中，E代表评价公式的计算结果，t代表时间，即进行时域上的积分计算；当评价公式用在速度控制器的PI参数优化时，e是速度控制器指令值和实际速度反馈值之间的差值，当评价公式用在位置控制器的比例增益参数和前馈系数优化时，e是位置控制器指令值和实际位置反馈值之间的差值；

参数优化器，用于首先发出特定的三角波位置指令到位置控制器和特定的三角波速度指令到速度控制器，使电机按照位置和速度指令进行旋转；其次在上一次的速度控制器和位置控制器的参数和E值的基础上，通过式(3)、式4和式5计算出优化后速度控制器和位置控制器的参数，并将参数传送到速度控制器和位置控制器中并加以更新，

式3： $G\left(s\right)=\frac{(h+1)}{2h^2{T_{\mathrm{cur}}}^2}\frac{({\mathrm{hT}}_{\mathrm{cur}}s+1)}{s^2}\frac{1}{T_{\mathrm{cur}}s+1},$

式4： $H\left(s\right)=\frac{G\left(s\right)}{1+G\left(s\right)}=\frac{(h+1)({\mathrm{hT}}_{\mathrm{cur}}s+1)}{2h^2{T_{\mathrm{cur}}}^2{s}^2(T_{\mathrm{cur}}s+1)+(h+1)({\mathrm{hT}}_{\mathrm{cur}}s+1)},$

式5： $G_p\left(s\right)=\frac{K_{\mathrm{pp}}(h+1)({\mathrm{hT}}_{\mathrm{cur}}s+1)}{[2h^2{T_{\mathrm{cur}}}^2{s}^2(T_{\mathrm{cur}}s+1)+(h+1)({\mathrm{hT}}_{\mathrm{cur}}s+1)]}\frac{1}{s},$

其中，K_pp是位置控制器的比例增益，

所述三角波速度指令为使电机以恒定加速度a由静止正向加速到正向速度峰值ω_max，再以恒定加速度a由速度峰值ω_max减速到电机停止，然后以恒定加速度a由静止反向加速到反向速度峰值-ω_max，最后以恒定加速度a由反向速度峰值-ω_max减速到电机停止，至此一个三角波速度指令周期结束；

所述三角波位置指令为使电机以恒定速度v由位置零点正向转到正向位置峰值p_max，再以恒定速度v由位置峰值p_max反向转回到位置零点，然后以恒定速度v由位置零点反向转到反向位置峰值-p_max，最后以恒定速度由反向位置峰值-p_max正向旋转到电机位置零点，至此一个三角波位置指令周期结束。

2.如权利要求1所述的电机伺服驱动器控制器参数自动调整装置，其特征在于，参数检验器发送给速度控制器的位置和速度指令是正反方向交替、上下对称、左右对称的三角波指令。

3.如权利要求1所述的电机伺服驱动器控制器参数自动调整装置，其特征在于，所述速度控制器采用比例积分(PI)控制器结构，使整个伺服系统实现速度闭环，使电机的实际转速跟随转速指令，也就是说使电机实际转速与转速指令是一致的。

4.如权利要求1所述的电机伺服驱动器控制器参数自动调整装置，其特征在于，所述位置控制器采用比例(P)和前馈相结合的控制器结构，使整个伺服系统实现位置闭环，使电机的实际转过的位置跟随位置指令，也就是说使电机实际位置与位置指令是一致的。

5.如权利要求1所述的电机伺服驱动器控制器参数自动调整装置，其特征在于，该自动调整装置还包括一参数保存和显示器，用于将优化后的控制参数保存在存储器中，并在显示器中显示出转动惯量值和各个控制参数。

6.一种如权利要求1所述的装置的参数自动调整方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S₁、电机伺服驱动器使能，使能速度控制器参数自动调整功能，此时伺服系统处在速度控制模式下；

S₂、参数检验器根据用户所选的参数优化策略来确定对应的评价公式；

S₃、惯量辨识器测量出电机转子和负载的总转动惯量J；

S₄、参数初步调整器根据式1和式2，通过步骤S₂测量出的总转动惯量J值计算出速度控制器参数的初步设定值，并传输到速度控制器；

S₅、参数优化器向速度控制器发出一个周期的所述三角波速度指令使电机按照指令运行；

S₆、参数检验器在电机按照三角波指令进行转动的过程中，实时采集电机的速度反馈值，并通过评价公式计算出E值；

S₇、参数优化器接受参数检验器传送来的E值，按式6、式7和式8计算出优化后的速度控制器参数值，并将参数值传送到速度控制器替换掉原来的参数值，

式6：

R(t)为速度或位置的指令值，F(t)为速度或位置的反馈值，t为时间值；式7和式8如下：

其中，E_s代表用户选定的评价公式对速度曲线的计算结果，E_BS代表用户选定的评价公式对速度曲线的计算结果的标准值，该E_BS值为经验值，

代表第n和n+1次优化后的速度控制器的比例系数K_p，

代表第n和n+1次优化后的速度控制器的积分时间系数K_I，D_BS代表预设的速度D分界值，该D_BS值为经验值；

S₈、循环步骤S₅、S₆和S₇，直至评价公式计算出的E值小于预先设计好的额定值E_N时结束循环，记录下当时的速度控制器参数作为优化后的参数；如果循环的次数超过预先设计好的最大次数N_max，此时也结束循环，记录下E值最小的那组速度控制器参数作为优化后的参数；

S₉、当速度控制器的参数优化成功完成后，禁止速度控制器参数自动调整功能，此时速度控制器装载的参数就是优化后的参数。

7.如权利要求6所述的参数自动调整方法，其特征在于，步骤S₉之后还包括如下步骤：

S₁₀、使能位置控制器的参数自动调整，此时伺服系统处在位置控制模式下，参数初步调整器将K_pp作为位置控制器比例增益参数的初步设定值，将K_f作为位置控制器前馈系数的初步设定值，并将K_pp和K_f传输到位置控制器；

S₁₁、参数优化器首先向位置控制器发出一个周期的所述三角波位置指令使电机按照指令运行；

S₁₂、参数检验器在电机按照三角波指令进行转动的过程中，实时采集电机的位置反馈值，并通过评价公式计算出E值；

S₁₃、参数优化器接受参数检验器传送来的E值加以记录，再按式7和式8计算出优化后的位置控制器的K_pp和K_f参数值，并传送到位置控制器替换掉上一次的参数值，式7和式8如下：

其中，E_p为用户选定的评价公式对位置曲线的计算结果，E_BP为用户选定的评价公式对位置曲线的计算结果的标准值，E_BP值为经验值，D_BP代表预设的位置D分界值，D_BP值为经验值，

代表第n和n+1次优化后的位置控制器的比例系数K_pp，

代表第n和n+1次优化后的位置控制器的前馈系数K_f；

S₁₄、循环步骤S₁₁、S₁₂和S₁₃，直至评价公式计算出的E值小于预先设计好的额定值E_N时结束循环，记录下当时的位置控制器参数作为优化后的参数；如果循环的次数超过预先设计好的最大次数N_max，此时也结束循环，记录下E值最小的那组位置控制器参数作为优化后的参数；

S₁₅、控制器参数的自动调整完成。

8.如权利要求7所述的参数自动调整方法，其特征在于，步骤S₁₅之后还包括步骤S₁₆：参数保存和显示器将优化后的位置控制和速度控制器参数显示出来。

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